一种简易直流电子负载的设计

杨永超,谭晓娥，刘晓妤

(1.湖北民族学院 信息工程学院,湖北 恩施 445000；2.湖北民族学院 图书馆，湖北 恩施 445000；3.江汉油田分公司采油工艺研究院，湖北 武汉 430035)

一种简易直流电子负载的设计

杨永超1,谭晓娥2，刘晓妤3

(1.湖北民族学院 信息工程学院,湖北 恩施 445000；2.湖北民族学院 图书馆，湖北 恩施 445000；3.江汉油田分公司采油工艺研究院，湖北 武汉 430035)

针对电源设备或化学电池的测试需要，以STM32F103单片机为控制核心，外围采用16位A/D、12位D/A以及功率MOSFT设计了一种简易的高精度直流电子负载.测试结果表明，该系统测试时间短、精度高、运行稳定可靠.

直流电子负载;STM32F103;恒流模式；P-MOSFET

图1 直流电子负载的设计框图

在直流电源设计与制造领域通常要对开关稳压电源、UPS、光伏电池、锂电池、镍氢电池及蓄电池等各类电源设备进行负载条件下的动态性能测试，即动态地改变负载状态使其处于恒定电阻、恒定电流以及恒定功率等三种工作模式，以便测试各类直流稳压电源设备的动态特性如负载调整率、输出电流、保护特性等，以及各类化学电池的放电电压、放电电流、放电深度、放电时间等.当前，国内外对电源类产品的试验一般都采用传统的静态有功负载如电阻箱、滑动变阻器等能耗放电的办法进行，所使用的负载设备体积大，不能自动变参数运行，且最后的测试数据需要另外添加仪器仪表来进行[1-2].电子负载采用半导体电子器件、单片机智能控制实现“负载”功能，不仅可以动态模拟真实情况下的负载变化，而且还能够准确地检测出负载两端的电压，精确调整负载电流[3-4]，甚至还能够实现模拟负载短路、负载的阻性或容性、容性负载电流上升时间等动态及静态特性参数等测试，极大的提高了电源设备及化学电池的测试效率，这是功率电阻等常规负载形式所无法实现的.

1 总体设计及工作原理

1.1 总体设计

根据被测电源/电池的测试要求，本文所设计的直流电子负载主要由MCU模块、A/D及D/A模块、电压/电流检测模块、功率模块、保护电路、通信接口及人机界面等部分组成，其设计框图如图1所示.

1.2 工作原理

被测试的电源设备或电池直接与功率模块相连，功率模块实质为N沟道增强型大功率MOSFET(TI公司的CSD17505Q5A).根据测试要求，MCU输出相应的控制量通过12位D/A转换后加至功率MOSFET使其导通，被测电源/电池的输出功率通过功率管的发热来耗散.在测试过程中，系统能够同时采集被测负载当前的输出电压、电流等信息，并直接显示在人机界面的TFT液晶屏上，同时还可以通过RS-485接口直接将测试数据上传至上位机，方便工厂生产模式下对批量被测电源设备/电池的测试数据的集中汇总和处理.

测试过程中，系统还能够根据测试要求，设定相应的保护动作电流，通过实时检测输出电流，当流过功率管的输出电流达到设定的动作电流值时，保护电路动作，断开功率负载，从而避免电流过大损坏被测电源设备或电池.

2 电路设计

2.1 MCU的选择

系统采用的MCU为意法半导体公司出品的基于Cotex-M3内核的32位ARM系列微控制器STM32F103，工作频率可达72 MHz.该芯片上集成了最大64 KB的SRAM存储器及512 KB的Flash存储器，并具有丰富的电源管理功能及低功耗模式.此外，还具有CAN总线接口、USB接口等9个通信接口，其综合性能良好，完全能够满足本系统的设计要求.

2.2 电压/电流检测电路

1)电压检测电路

被测电源设备/电池的输出电压通过可调电阻分压后送入到运放TL082进行调理.为了使调理后的输出电压与所采用的16位A/D转换芯片输入电压匹配，并在一定程度上避免被测电源噪声的影响、加强系统的抗干扰能力，采用HCNR201高线性度光耦进行隔离[5]，然后再次利用TL082调理后送入A/D转换.电压检测电路原理如图2所示.

图2 电压检测电路

图3 电流采样电路

2)电流采样电路

电流检测电路中取样电阻采用0.05 Ω的康铜丝，工作过程中，康铜丝两端的差模电压通过高精度、宽共模范围、双向零漂移电流并联监控运放芯片INA282进行调理后送入A/D转换.需要指出的是，INA282具有高达140 dB的共模抑制比以及0.3 uV/℃的偏移漂移使得康铜丝两端的差模电压的误差可以忽略不计，进一步保证了测量精度[6].电流采样电路如图3所示.

3)A/D及D/A

为了进一步保证电压电流的检测精度，A/D转换芯片采用TI公司的16位串行高精度模数转换器ADS1115.该芯片具有高达860SPS的采样速率，内部包含可编程增益放大器PGA，4个单端或2个差分输入接口，低漂移电压基准源，I2C接口及较低的电流消耗.

D/A转换采用TI公司的12位数模转换器TLV5616，带有4线串行接口，可无缝连接STM32、SPI、QSPI和Microwire串行口.输出缓冲是2倍增益Rail-to-Rail输出放大器，输出放大器为AB类以提高稳定性、减少建立时间.

4)功率模块驱动电路

图4 功率模块驱动电路

图5 软件流程

图6 实物样机

在测试过程中，往往需要“负载”保持恒流输出模式，设计中通过引入负反馈来控制P-MOSFET的导通程度去控制测试电流并使其保持恒定.控制电路如图4所示，图中，U2A(LM358)为跟随控制，U2B(LM358)为同相放大作为电流反馈.为了避免运放产生自激振荡，在U2A 的1、2脚之间并接103瓷片电容降低增益进行补偿，最终在功率管上可以保持电流恒定.

采用线性控制方式的电子负载，被测电源或电池输出的能量全部损耗在功率管上，一般还需增加辅助散热措施[7-8].CSD17505Q5A是TI公司的生产的N沟道功率MOSFET，具有VGS(th)=1.3V，RDS(on)= 3.7 mΩ的典型值，且在VDS=0.03 V、VGS=6.0 V的情况下能达到10 A的电流，能够达到设计要求.设计过程中，散热器选用铝型材XC766系列，根据厂家提供的散热器包络体积-热阻曲线图，最终采用了包络体积为173.4 cm3的XC766散热铝片与风扇辅助散热.

5)RS-485通信模块

RS-485通信模块使用美信公司的MAX487芯片，并通过光耦HCPL-0601与MCU相连，在实现电平转换的同时，还可以防止通信电路带来的干扰进入其他电路，提高直流电子负载的可靠性.

3 软件设计

根据硬件电路的设计原理，软件部分主要实现电压、电流采样，过电压/电流保护、触摸屏的设置和显示、上位机通信等功能.为了保证输出电流的高度稳定，程序设计时引入了PID控制功能，并实现了PID调节参数的自整定，系统的软件流程如图5所示.

运行过程中，对负载电流进行调整时采用PID控制实现，提高了电流控制的精度.其PID参数通过不断实验进行自整定，实验过程中，通过不断调整与测试，得到了一组适合于本系统设计要求的PID参数，并通过初始化进行了预设.此外，在实际高精度测量中，也可以通过重新整定及更新PID参数，使系统的控制精度及调整时间更加理想.

4 实验测试

根据上述软硬件设计过程，制作了一台样机，如图6所示.

实验过程中，采用的测试仪器主要有DM3061高精度台式万用表、APS3003S-3D高精度直流稳压电源、UT56手持万用表等设备.

在不同的工作模式下对所制作的直流电子负载进行了一系列测试，相关的测试数据如表1、表2所示.

表1、表2的测试结果表明，恒流模式下电流相对误差优于3%，恒压模式下对电压的测量相对误差更是达到了0.1%以下，调节时间小于1 s.且测试过程中，系统工作稳定可靠，在电压电流异常情况下，能够可靠的断开测试回路，保障被测电源设备及系统本身的工作安全.

表1 恒流模式下的测试数据

表2 恒压模式下的测试数据

5 结语

本文所述的简易小功率直流电子负载的设计方案简单，成本较为经济，功能丰富，界面友好，电压测试设定范围为0～20V，电压分辨率为0.5mV，电流测试设定范围0～4000mA，分辨率2mA.测试过程中，根据不同的测试要求，其工作模式可分别设定为恒压模式、恒流模式及恒功率模式，各种模式下工作稳定可靠，测试时间短，且在各种不同的工况下测试数据的精度非常高，能够很好地适应各种电源设备或化学电池的测试需要.

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[2]蒋益飞,周杏鹏.基于STM32直流电子负载的设计与实现[J].仪器仪表用户,2012,19(3):68-70.

[3]刘磊.基于MSP430单片机的直流电子负载设计[J].电子科技,2013,26(2):25-27.

[4]吴扬,欧阳普忠,孙颖.直流电源分析仪在直流电子负载校准中的应用[J].宇航计测技术,2009,29(1):58-62.

[5]张涛,马游春,张文栋.线性光耦HCNR201在正负电压测量上的应用[J].微计算机信息,2007,23(2):297-298.

[6]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].2版.北京:航空航天大学出版社,2011.

[7]黄志瑛,谢光明.功率MOSFET在电子负载中的应用[J].科技资讯，2008(1):22-23.

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责任编辑：时凌

TheDesignofaSimpleDirectCurrentElectronicLoad

YANG Yongchao1,TAN Xiaoe2,LIU Xiaoyu3

(1.School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;2.Libray of Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;3.Oil Production Technology Research Institute,SINOPEC Jianghan Oilfield Company，Wuhan 430035，China)

For the sake of testing the power equipments or chemistry batteries,this paper designs a direct current electronic load with high precision,using the STM32F103 as MCU， 16 bit A/D converter,12 bit D/A converter and Power-MOSFET as the other circuits. The testing data indicates that the system has short testing time,high precision and reliability.

Direct current electronic load; STM32F103; invariant mode; P-MOSFET

2014-05-10.

湖北省教育厅B类项目(B2013076).

杨永超(1981- )，男，硕士，讲师，主要从事电力电子装置与系统、电气设备状态检测方面的研究.

TP271.5

A

1008-8423(2014)02-0203-03